Nuvole Elettriche nel Cielo: Vi Porto con Me a Caccia dello Strato E Sporadico con i Segnali delle Navi!

Ciao a tutti, appassionati di misteri celesti e onde radio! Oggi voglio raccontarvi una storia affascinante, una di quelle avventure scientifiche che ti fanno sentire un po’ un detective dell’etere. Parleremo dello strato E sporadico (EsL), un fenomeno tanto elusivo quanto cruciale per le nostre comunicazioni radio. E la parte più bella? Vi svelerò come, per la prima volta, siamo riusciti a “vederlo” in due dimensioni usando qualcosa di inaspettato: i segnali radio del traffico marittimo!

Ma cos’è questo Strato E Sporadico?

Immaginatevelo come una specie di “nuvola” sottile ma incredibilmente densa di elettroni, che si forma a circa 100 km sopra le nostre teste, nella regione E della ionosfera. Questo strato non è sempre lì, appare e scompare, per questo lo chiamiamo “sporadico”. Nonostante la sua natura effimera, quando c’è, la sua densità di elettroni può superare persino quella della regione F, più in alto! Questo lo rende un potente riflettore per le onde radio, specialmente nelle frequenze HF e VHF. Per chi si occupa di comunicazioni, è una medaglia a due facce: può permettere collegamenti a lunghissima distanza, ben oltre l’orizzonte visivo, ma può anche causare fastidiose interferenze, ad esempio ai sistemi di navigazione aerea come il VOR e l’ILS, che usano la banda 108-118 MHz. Ecco perché monitorarlo costantemente, su aree vaste e con più strumenti possibili, è diventato un compito importante per la meteorologia spaziale.

La Teoria del “Wind Shear” e i Balli Celesti

Ma come si forma l’EsL alle medie latitudini? La teoria più accreditata è quella del “wind shear” (gradiente di vento). In pratica, venti neutri che soffiano in direzioni opposte a diverse altitudini nella regione E “strizzano” gli ioni metallici (provenienti da meteore disintegrate) concentrandoli in strati sottili. Per mantenere la neutralità di carica, questi ioni attirano elettroni, creando così il nostro denso strato EsL. Questi wind shear hanno spesso una periodicità semidiurna, il che spiega perché l’EsL tende a comparire due volte al giorno, una verso mezzogiorno e l’altra nel primo pomeriggio/sera. Curiosamente, l’EsL serale è stato anche collegato ai Disturbi Ionosferici Viaggianti di Media Scala (MSTIDs) che vediamo nella regione F durante le notti estive. Sembra quasi che l’EsL fornisca i “semi” per queste perturbazioni più grandi, un affascinante accoppiamento tra diverse quote ionosferiche!

La Sfida: Mappare l’Invisibile

Negli ultimi decenni, abbiamo fatto passi da gigante per capire la forma e le dinamiche dell’EsL. Abbiamo usato il GNSS-TEC (Contenuto Elettronico Totale derivato dai sistemi di navigazione satellitare globale) per studiare strutture come i fronti diurni dell’EsL, analizzandone scala orizzontale e velocità. Anche l’indice ROTI (Rate of TEC Change Index), sempre derivato dal GNSS, si è rivelato utile per visualizzare la struttura spaziale dell’EsL. Immaginate di combinare il ROTI con le osservazioni di propagazione anomala dei segnali aeronautici: un bel modo per mappare lo sviluppo spazio-temporale dell’EsL su vaste aree! Tuttavia, restava una grossa difficoltà: identificare con certezza le stazioni trasmittenti di queste propagazioni anomale VHF. Serviva un metodo più oggettivo per localizzare i punti di riflessione.

Ed è qui che entra in gioco la nostra nuova “arma segreta”: i segnali dell’Automatic Identification System (AIS). L’AIS è un sistema radio marittimo che le navi usano per trasmettere la loro posizione a 162 MHz. Ogni segnale contiene l’identificativo della nave, quindi sappiamo esattamente da dove proviene! Già nel 2022, Chartier e colleghi avevano notato che i segnali AIS a volte subivano propagazioni anomale a lunga distanza a causa dell’EsL. Ma nessuno aveva ancora provato a usare questi segnali per visualizzare la struttura spaziale e le dinamiche dell’EsL in modo dettagliato.

Ecco la nostra sfida: potevamo combinare i dati AIS con le osservazioni radio aeronautiche e i dati GNSS ROTI per creare una mappa dinamica dell’EsL? La risposta, come vedrete, è un sonoro SÌ!

L’Esperimento del 30 Maggio 2023: Un Cielo Sotto Osservazione

Il 30 maggio 2023 è stata una giornata cruciale. Abbiamo puntato i nostri “occhi” elettronici sulla ionosfera sopra il Giappone. A Kure, abbiamo un sistema di monitoraggio di routine dei segnali AIS, proprio per rilevare propagazioni anomale dovute a EsL, condotti troposferici o scattering meteorico. Quando una nave a più di 1000 km di distanza veniva rilevata, sapevamo che c’era qualcosa di interessante in atto. Il punto di riflessione dell’EsL, in questi casi, si trova a metà strada tra la nave (trasmettitore) e il nostro ricevitore a Kure.

A questi dati AIS, abbiamo affiancato:

• Osservazioni dei segnali radio VOR (VHF Omnidirectional Range) usati per la navigazione aerea. Abbiamo sei stazioni riceventi in Giappone che “ascoltano” centinaia di stazioni trasmittenti VOR sparse per l’Asia orientale.
• Dati dalle ionosonde del National Institute of Information and Communications Technology (NICT) giapponese, che misurano direttamente le caratteristiche dell’EsL.
• Dati GNSS ROTI dalla rete GEONET, che con i suoi 200 ricevitori multi-costellazione (GPS, GLONASS, Galileo, QZSS) ci permette di mappare le perturbazioni di densità elettronica associate all’EsL con grande dettaglio, assumendo un’altezza di riflessione di 100 km.

Le ionosonde, quel giorno, ci hanno dato subito una bella notizia: a Kokubunji, ad esempio, l’EsL era ben sviluppato, con una frequenza critica (foEs) che ha raggiunto i 23 MHz! Un valore decisamente alto, più che sufficiente per riflettere i segnali aeronautici a circa 110 MHz e, come speravamo, anche i segnali AIS a 162 MHz.

DBSCAN: L’Algoritmo che Fa Ordine nel Caos dei Segnali VOR

Una delle sfide con i segnali VOR è che, ricevendo un segnale anomalo su una certa frequenza, non sempre è immediato capire da quale delle tante stazioni trasmittenti (Tx) provenga. Questo rende difficile localizzare con precisione l’EsL. Per superare questo ostacolo, abbiamo utilizzato un algoritmo chiamato DBSCAN (Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise). In pratica, DBSCAN analizza tutti i possibili punti di riflessione candidati e identifica dei “cluster”, cioè delle aree dove questi punti si concentrano maggiormente. Questi cluster rappresentano le localizzazioni più probabili della riflessione sull’EsL. Un bel passo avanti verso una mappatura più oggettiva!

La Danza dell’EsL: Movimenti e Strutture Rivolte

Mettendo insieme tutti questi dati – AIS, VOR (filtrati con DBSCAN) e GNSS ROTI – ogni 10 minuti, per circa due ore la mattina del 30 maggio 2023, abbiamo assistito a uno spettacolo incredibile. Sullo sfondo delle mappe ROTI, che mostravano bande di elevata attività (corrispondenti all’EsL) estendersi principalmente sulla parte occidentale del Giappone, sono apparsi i punti di riflessione VOR e, per circa un’ora, anche quelli AIS.

La cosa straordinaria è stata la coincidenza tra le diverse osservazioni. I punti di riflessione VOR cadevano quasi sempre dentro o vicino alle aree di ROTI elevato. E quando sono apparsi i punti AIS, questi formavano un cluster allungato est-ovest, perfettamente connesso a uno dei cluster VOR! Questa co-locazione ci ha dato grande fiducia nella validità del nostro approccio combinato.

Ma non è tutto. Abbiamo potuto osservare le dinamiche dell’EsL in 2D. Una porzione dell’EsL, quella più occidentale che includeva i punti di riflessione AIS, si muoveva chiaramente verso nord, a una velocità di circa 60 m/s. Questo movimento era coerente con quanto inferito dalle ionosonde (Yamagawa vedeva l’EsL prima di Kokubunji, più a nord). Contemporaneamente, un’altra porzione dell’EsL, più a est, si muoveva verso sud-ovest. Questi movimenti bidirezionali probabilmente contribuivano a creare la forma talvolta “ondulata” o piegata della struttura EsL che abbiamo osservato.

Il movimento verso nord a 60 m/s è in linea con studi precedenti basati su dati GPS TEC. Il movimento verso sud-ovest, invece, sembra allinearsi bene con simulazioni numeriche recenti che suggeriscono come l’EsL, dopo essersi formato in quota a causa del wind shear, scenda e venga “catturato” da venti che lo spingono in quella direzione intorno a mezzogiorno locale.

Cosa Abbiamo Imparato e Dove Andremo

Questa esperienza ci ha insegnato tantissimo. Innanzitutto, abbiamo dimostrato che i segnali AIS possono essere uno strumento preziosissimo per tracciare l’EsL, specialmente quello più intenso, sulle regioni marittime. Il vantaggio è che, conoscendo la posizione della nave, possiamo individuare il punto di riflessione con molta più precisione rispetto ai segnali aeronautici. Certo, la frequenza più alta dell’AIS (162 MHz) significa che riusciamo a “vedere” solo gli eventi EsL più forti, ma quando ci riusciamo, otteniamo immagini molto nitide della sua struttura interna.

L’uso dell’algoritmo DBSCAN per i dati VOR ha migliorato l’oggettività della mappatura. E l’integrazione di dati da multiple costellazioni GNSS ha potenziato la risoluzione delle mappe ROTI. La vera forza, però, sta nella combinazione di tutte queste tecniche. Ognuna ha i suoi punti di forza e le sue debolezze, ma insieme ci offrono un quadro molto più completo e affidabile.

Abbiamo visualizzato strutture EsL allungate est-ovest, a volte con pattern ondulati, probabilmente causati dalla sovrapposizione di segmenti EsL con movimenti distinti. È importante ricordare che l’EsL che abbiamo “fotografato” in questo studio è un evento forte; il nostro approccio attuale non è ancora applicabile agli strati EsL più deboli (con foEs sotto i 10 MHz).

Nonostante questo, i risultati sono entusiasmanti! Indicano il potenziale dell’uso dei segnali AIS per il monitoraggio marittimo dell’EsL, sottolineano l’importanza dell’analisi multi-strumento e aprono la strada a future integrazioni con reti GNSS ad altissima risoluzione. Il nostro obiettivo finale? Comprendere sempre meglio i meccanismi di formazione e le caratteristiche di movimento di questo affascinante e a volte “dispettoso” strato ionosferico. E chissà quali altre sorprese ci riserverà il cielo!

Fonte: Springer